断层封闭性的定量预测

断层封闭性的定量预测G.Yielding,B.Freeman,andD.T.Needham摘要：断层的封闭性机理有两类：一是储层/非储层的对置；二是断层岩的发育过程中具有较高的排替压力。评价这些可能性的方法要用到详细的地震制图和钻井测井等井资料。封闭性分析的第一步是利用绘制的水平线识别断面上的储层的对置区域和利用断面上的等高线识别储积地层。分析的第二步是评估砂岩与砂岩对接可否提供压力的差异。我们定义了两种依赖岩性的属性：断层泥比和涂抹因子。断层泥比是一种评估细粒物质从围岩进入断层泥的比例的系数。涂抹因子（包括粘土涂抹势CSP和泥岩涂抹因子SSF）是指在断裂发生过程中泥岩沿断层涂抹的剖面厚度。所有这些参数在断层面上都是不断变化的，这也说明断层并不能简单地称为封闭的还是不封闭的。在由断层两侧的井明确知道断面两侧压力差别的区域，校正这些参数是应用这些参数的一个重要步骤(例如英国布伦特油区,尼日尔河三角洲,哥伦布盆地)。例如，20%的断层泥比（在下跌区间的泥岩体积）是一个区分最低存在断层压力差和典型封闭的一个门限值。简介断层在形成油气圈闭中起到了很重要的作用。为了评价和断层控制的的储量有关的风险与断层带的开发，了解有利于断层封闭的过程是很重要的。假定已经得到了一个断层切断一个储层层序的信息，那么利用这些信息去预测断层系统的任何部位的封闭性就是可以实现的。断层薄膜封闭的主要控制因素是盖层的毛管排替压力（即油气能够进入盖层相互连通空隙中的最大喉道所需要的压力）；但排替压力超过破坏盖层所需要的岩石强度的时候，盖层被认为是压力封闭。很多机械原理已经被认识到可以使断面起到封闭的作用。（1）一个渗透性储层与一个具有较高排替压力的低渗地层对置。（2）泥岩在断面上的涂抹（例如泥岩或页岩带）使断层具有了较高的排替压力。（3）碎裂作用，砂粒破碎成由细粒物质构成的断层泥，又为断层提供了高毛管排替压力。（4）成岩作用，胶结作用优先沿着最初渗透性的断面进行，可能会部分或者全部失去孔隙，最终造成了压力封闭。通过绘制过断面的单元对置图可以明确地识别岩性对置封闭。虽然与紧密岩性（如页岩）对置可以提供最大的封闭效应，但两个具有不同毛细性质的砂层也可以引起断层两侧可观的压力差异。这种差异不是由于断层带物质，然而，它可能相当于两个砂层间超过15米高的油柱。为了识别或预测由泥岩涂抹，碎裂作用或成岩作用造成的封闭，需要把这些机理和地下性质（如岩性和断距）联系起来。所有预测性方法的合意的性质是可以利用那些常规下可得到的信息。现在，在预测由泥岩涂抹造成的封闭能力的算法方面已经取得了成功，而这方面正是我们这篇论文的主要焦点。碎裂作用造成的封闭可以同样地在不久的将来理解，然而利用简单的算法［如Knipe(1993)关于可能因子的讨论］来预测成岩作用造成的封闭很可能经不起检验。泥岩涂抹的观察Weber等人（1978）从实验和露头研究中提出了一系列观察结果。他们注意到砂-泥层序中的断层形成沿着中央滑动面的连续、多层的泥岩涂抹。泥岩涂抹在实验上被证实是对水流的有效封闭。尽管剪碎的砂岩不像泥岩那样聚入连续的断层泥，但是剪切带的结构对于指示运动方向的砂层的顶是典型非对称的（图1）。在未固结的三叠系三角洲层序的露天矿场中的观测结果显示，远离断层泥的源层，断层泥带逐渐变薄。由Weber等人（1978）观测到的最厚的断层泥大约是0.5米厚，它来自于更厚的（5米）的源层。图1—区分砂岩与德国Frechen褐煤矿的油田例子（改自Weber等人，1978）。注意到泥岩从源岩层中扯出来和断块中泥岩涂抹的复合性质。（原图中没有比例尺）Lindsay等人（1993）描述了石炭系河流相-三角洲相层序中泥岩涂抹的露头研究。与由Weber等人（1978）描述的层序相比，这些岩石在断裂作用时成岩的（埋深大约2千米）。Lindsay等人（1993）认识到泥岩涂抹作用的三种类型：剪切作用，磨蚀作用和注入作用。（1）剪切涂抹类似于那些由Weber等人（1978；图1）描述的情况。涂抹泥岩的厚度大体上随着与源层的距离加大而减薄，在上盘与下盘岩层尖灭之间中途的地方达到最小值。（2）磨蚀涂抹是在已成岩层序中最常见的类型，包含由砂岩下盘滑过页岩层时磨蚀形成的薄层。如果源层越厚或者断层落差越小，那么这些涂抹层就趋向于更厚。较大的落差趋向于磨蚀掉这涂抹薄层。（3）注入涂抹是在断裂运动时对体积变化的局部反应。注入涂抹厚度很难被预测。在断层的偏移比标志层厚度还大的地方，断层带通常包括剪碎的不同盘的混杂岩。Berg和Avery（1995）报告说，这种断层岩的毛管排替压力可以是比邻近储集砂层高两个数量级。在剪碎带内断层泥的分布导致了具有很强方向性的渗透性差异（例如，Arch和Maltman，1990）。预测泥岩涂抹的算法下述的因素控制了泥岩/页岩涂抹的可能性：（1）更厚的源层可以导致更厚的涂抹，（2）剪切类型涂抹随离源层的距离增大而减薄，（3）磨蚀类型涂抹随断层落差的越加而减薄，（4）多样的源层会造成混合的连续涂抹。这些关系暗示定量预测泥岩涂抹是可能的。这一部分概述了由其他作者提出的不同算法并提出了进一步的可能性。Bouvier等人（1989）陈述了尼日尔河三角洲修女河油田的研究。他们描述了作为一种在断层上砂/砂对置区域估计泥岩涂抹可能性的方法的泥岩涂抹势（CSP）。泥岩涂抹势被讨论用于描述从单一泥页岩源层上涂抹到沿断面一定点的粘土的相对含量。CSP被描述为（1）随泥岩源层厚度的增加而增厚，（2）随着沿着断面移动过特定点的源层层数的增加而增厚，（3）随断层落差的增加而减薄。这些关系最近由Fulljames等人（1996）明确地用公式（1）表示出来，小于断层落差的距离（这种算法用图2a来说明）。对于一个位于上升盘源层和相应下降盘层之间的落差内的点，离源层的距离和层厚可以被测量出来。这点典型地更邻近于层的上升盘终端或下降盘终端；从岩层最近的终端上测量这个距离，因为涂抹纵剖面被假设为对称的。如果这个点处于多个泥岩层的落差内，那么涂抹长度和层厚可以在相关联层的情况下测算出来，并依据公式1叠加出来。CSP算法模拟在前面描述的剪切类型涂抹的情况；也就是，复合涂抹的长距离干扰和叠加效果。Bouvier等人（1989）修改了他们封闭或非封闭断层的CSP估算，并将观测幅度划分为高、中和低CSP。低CSP代表了很小的概率存在能圈闭油气的连续涂抹泥岩。Jev等人（1993）在阿卡索油田（位于尼日尔河三角洲）应用相同的技术并引用了小于15的CSP作为非封闭，大于30的CSP作为断层约束未钻远景勘探区。Bentley和Barry（1991）用CSP值来约束CormorantIV区块（北海北部的布伦特油区）的油藏模拟，并发现在生产时间尺度内5CSP值标志了大体上断层封闭的门限值。图2—涂用于估计在断面上的泥岩涂抹可能性的涂抹因子算法。（a）涂抹势（CSP）(Bouvier等人,1989;Fulljames等人,1996)被定义为源岩层厚度的平方除以涂抹长度；（b）广义涂抹因子，被定义为源岩厚度除以涂抹长度，带有变化的幂数；（c）泥岩涂抹因子（SSF）（Lindsay等人,1993），被定义为断层落差除以源岩层厚度。方法（a）和（b）模拟了剪切类型涂抹的长度，而方法（c）模拟了磨蚀涂抹的形式。在CSP算法（公式1）中，页岩层厚度被平方。这被由Lehner和Pilaar（1996）提出的液体动力学理论证明过了，其中这两人宣称如果物质是牛顿流体，那么从泥页岩层出发的外向通量应当与它厚度的平方呈正比。由公式1定义的CSP有距离的量纲。我们建议CSP可以被视为由公式3给定的广义涂抹因子的例子（看图2b）。（2）幂数m和n可以被视为经由实验或观察研究证实的附加变量。当m=n时，结果是没有量纲的，故与测量的单位无关。当n超过1时（像在CSP方程里），更厚的源层比薄层更有助于计算；也就是，它们的权值比厚度增量占有更大的比例。Lindsay等人（19993）提出约束泥岩涂抹连续性的可能性的泥岩涂抹因子。基于他们对岩化层序中磨蚀涂抹的观测结果，他们定义泥岩涂抹因子（SSF）（3）泥岩涂抹因子在落差终端之间保持恒定，这是因为它不受涂抹长度的影响（尽管断层落差内横向变化对计算的SSF有相应的效应）。因此SSF模拟了磨蚀类型涂抹的纵剖面。基于对80个断层（将复合涂抹排除在外）的研究，Lindsay等人（1993）得出这样的结论，对于大于7的SSF值，泥岩涂抹可能变得不完善。更小的SSF值更可能相当于连续性涂抹，所以更接近于断面上的封闭层。对于复合涂抹，SSF值不是简单累加的，这是因为薄的泥页岩层提供了更高的SSF值从而支配了总和。在这种情况下，SSF的简单应用在断层上的点上将从相关泥页岩层中提取最小值（大部分是封闭的）。CSP、涂抹因子和SSF算法信赖于对单泥页岩层厚度和落差的考虑。然而，这样一种方式可能难于直接应用在厚层的非均匀层序中，这是因为绘制每个泥页岩层以及考虑断面上它的效应是不可行的。在这种情况下，我们建议在油藏绘图尺度上简化考虑层序综合性质的考虑方法。我们定义一种被称为页岩断层泥比（SGR）的属性，这是一种在滑落间隙内的泥岩/页岩简单的百分率。图3a阐明了在断面上给定的一点上这是怎么计算的。（4）泥页岩厚度是在一个深度与断层落差相同的“窗口”内测量的；所以，这个窗口代表了在滑过断层内这点的岩柱。这个定义可以拓展到那些靠近储层带而不是个别层的地层崩塌。在这些情况下，从每个储层带来的细粒物质的总贡献可以与粘土含量和储层带厚度相联系。相对应的公式是（看图3b）。（5）当分带至单层级别时（假设泥/页岩层是由100%粘土物质构成的），公式5简化为公式4。SGR大体上代表了由于各种机制进入断层带的泥页岩的比例。隔层中含有的泥质越多，断层带中泥质的比例越大，因此有更高的毛管排替压力。尽管这无疑是在断层带内发生的复杂作用的过于简化，但它代表了易于跟踪的岩性变化的高标端度；所需的信息是断层位移和穿过层序的泥页岩碎片。断层泥比算法可以拓展到包括除了泥页岩之外的其它岩性。例如，如果存在大量的煤层，它们可能有利于细粒断层泥的产生，尽管比涂抹泥岩更低效。在这种情况下，累加包括煤单元，相对于泥页岩是低权值。在石油工业中广泛应用一种替换性估算，它也是参考了代表“页岩断层泥比”缩写“SGR”。这种方法是基于移过断面上某个关键部位的砂泥比（Skerlec，1996）。尽管并非简单地与页岩断层泥比相关，但是页岩断层泥比以相反的方式变化；也就是，高的页岩断层泥比与低的涂抹断层泥比相符，反之亦然。图3—用来估计在断层泥区域中粘土挟带可能性的断层泥比算法。断层泥比反映了在岩石间隔内已经滑过断面上给定点的封闭岩性的比例。（a）在泥页岩游离的层序中的明显的泥/页岩层情况下的计算；∆z是每个泥岩层的厚度。（b）在储集区层序情况下的计算；∆z是每个储集区的厚度，Vcl是区内的粘土体积部分。公式1-5只包括有限个数的变量；因此，粘土涂抹属性不是独立的。Lindsay等人（1993）提出的SSF是为单层泥页岩涂抹的情况（也就是，断层落差小于泥页岩层的间距）而定义的。在这种情况下，SSF是在被断层移置的岩石区间中泥页岩比例的倒数。例如，值为4的泥岩涂抹因子（SSF）意味着泥页岩层厚是落差的0.25；所以，过这点的岩石错动区间含有25%的泥页岩，等价的SGR值是25%。Lindsay等人（1995）作为连续涂抹门限的值为7的SSF，大概等效于14%的SGR。然而对于存在复合涂抹的情况，（由最厚泥页岩）计算的最小SSF值并非恰好相当于页岩断层泥比（SGR）的倒数，这是因为SGR不仅利用了给出SSF最小值的泥页岩层，而是利用了有狭窄窗口内所有的泥页岩层。没有任何属性本身是断面封闭能力的衡量。这些属性是对在断面上发育的泥岩涂抹相对可能性的估计。为了把这些属性当作封闭能力的近似来利用，我们必须校正这些有测井信息记录封闭情况的信息组中的属性。下一部分描述这些校正的例子。图4—用以说明断层面与为走向投影的投影面的相互关系的图解（如图5—